Spintronics, sadece geleneksel elektronikler gibi elektronların yükünü değil, aynı zamanda spinlerini (yani, içsel açısal momentumları) kullanan umut verici cihazlardır. Hızlı ve enerji tasarruflu spintronic cihazların geliştirilmesi, ayarlanabilir spin seçici iletkenliğe sahip malzemelerin tanımlanmasına büyük ölçüde bağlıdır, bu da mühendislerin farklı spin oryantasyonlarına sahip elektronların bu malzemelerde nasıl hareket ettiğini, ideal olarak harici manyetik veya elektrik alanları kullanılarak nasıl hareket ettirebileceği anlamına gelir.
Columbia Üniversitesi ve Ulusal Yüksek Manyetik Saha Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, son zamanlarda atomik olarak ince bir geçiş metali dikalkogenide, yani tungsten diselide (WSE2). Makaleleri, yayınlandı Doğa fiziğispintronic cihazlar için kompakt ve enerji tasarruflu bileşenlerin geliştirilmesi için yeni olasılıklar açabilir.
“Spin-basitleştirilmiş bir resimde-‘yukarı’ ya da ‘aşağı’ işaret eden küçük bir iç pusula iğnesi gibi düşünülebilir ki, elektronların temel bir kuantum özelliğidir. “Spin, manyetizmanın kalbinde yatar ve birçok teknolojide önemli bir rol oynar. Örneğin, bir sabit disk sürücüsünde, nano ölçekli bölgelerin mıknatıslanmasının yukarı veya aşağı işaret edip etmediğine bağlı olarak saklanır. Bu şekilde belirli bir yönde sipariş vermeye zorlayarak ‘yazabilirsiniz’ bilgileri, ancak bilgiyi nasıl okursunuz?”
Spintronic cihazlarda depolanan bilgileri “okumak” için yaygın bir yaklaşım, elektrik akımının bir malzemedeki mıknatıslanmış bölgelerden ne kadar kolay geçtiğini ölçmeyi gerektirir. Bu yaklaşım, elektrik akımının da spinli hareketli elektronlar tarafından taşınmasına dayanmaktadır.
Projenin PI, Cory Dean, “Temel fikir, hareketli elektronların dönüşü yakındaki mıknatıstaki dönüşlerle eşleştiğinde, elektrik iletkenliğinin yüksek olması (elektronlar kolayca hareket edebilir) ve spinler eşleşmediğinde, iletkenlik düşüktür (elektronlar engellenir).”
“Mevcut teknoloji iyi çalışırken, öncelikle farklı malzemeleri karmaşık yapılara entegre etmeniz gerektiğinden zorlu ve pahalıdır. Çalışmamızda basit bir soru sorduk: spin seçici taşıma elde edebilir miyiz-sadece belirli bir spin durumuna sahip elektronların hareket edebileceği-sadece tek, manyetik olmayan bir materyal kullanarak?”
Son çalışmalarının bir parçası olarak, ekip özellikle WSE’de spin-seçici taşımayı gerçekleştirmeye çalıştı2grafene benzer şekilde atomik olarak ince olacak şekilde sentezlenebilen bir malzeme. Ancak grafenin aksine, wse2 Harici bir manyetik alan uygulandığında ve yük taşıyıcıları arasında daha güçlü Coulomb etkileşimleri yaparken, aynı zamanda daha büyük bir etkili kütleye sahipken, spin “yukarı” ve “aşağı” enerji seviyeleri arasında büyük bir enerji bölünmesi sergiler.
“Yüksek kaliteli WSE’de taşıma ölçümleri yaptık2 Yüksek manyetik alanların altındaki cihazlar, “dedi makalenin ilk yazarı Qianhui Shi.” Manyetik alan Landau seviyeleri olarak bilinen ayrık enerji seviyelerini indükler. Landau seviyelerinin görünümü, büyük manyetik alanların varlığında herhangi bir iki boyutlu malzemenin genel bir özelliğidir.
“Çoğu sistemde, Landau seviye dizisi alternatif spin-up ve dönme seviyelerinden oluşur. Bu nedenle, bunları doldurmak için bu seviyelere elektron eklerseniz, birinci seviye tüm dönüşleri işaret eder, sonra ikinci seviyede, tüm dönüşler işaret eder, vb.2 Üst üste birkaç seviyenin tam tersi spin durumuyla karşılaşmadan önce aynı dönüşe sahip olabileceği son derece benzersizdir. “
Daha önceki çalışmalarında, Shi ve meslektaşları WSE’de benzersiz ve ilginç spin desenleri gözlemlediler2. Örneğin bir çalışmada, malzeme büyük bir manyetik alanın altındayken, bir dönüş seviyesi ortaya çıkmadan önce altı spin-up seviyesinin doldurulacağını bulmuşlardır.
Shi, “Bu yeni çalışmada fark ettiğimiz şey, en yüksek Landau seviyesinde akan akışa baktığımızda manyetik bellek için kullanılan sandviç yapılarına benzer davranmasıdır.” “Örneğin, en yüksek seviyedeki spin tüm düşük seviyelerle aynı ise, iletkenlik yüksektir. Ancak, en yüksek seviyenin dönüşü daha düşük seviyelere zıt olduğunda, iletkenlik düşüktür.
“Bu bir tür spin seçici taşıma etkisidir, ancak mevcut taşıma ve manyetik katmanlar, fiziksel olarak iki farklı malzemeyle sınırlı olmaktan ziyade tek bir malzemedeki enerji seviyeleri arasında ayrılmıştır.”
İlginç bir şekilde, araştırmacılar WSE’nin elektrik iletkenliğinde dramatik bir kontrast gözlemlediler.2Fermi seviyesindeki mobil taşıyıcıların dönüşüne bağlı olarak. Bu aslında malzemelerdeki en yüksek işgal edilen şarj taşıyıcılarını temsil eden enerji seviyesidir.
Shih, “Bu taşıyıcılar çoğunluk spin grubuna ait olduğunda (daha düşük enerji ‘doldurulmuş’ seviyeleriyle aynı spin), serbestçe hareket edebilir ve önemli iletkenliğe katkıda bulunabilirler; azınlık spin grubundayken (dolu seviyelerin tersi), hareketleri etkili bir şekilde bastırılırlar – lokalize olurlar ve iletkenlik keskin bir şekilde düşer,” dedi Shih.
“Bizim için en şaşırtıcı olan, bunun küçük bir etki olmamasıydı ve gerçekten de doğru koşullar altında, düşük iletkenlik durumu ile hiçbir iletkenlik göstermesiyle oldukça dramatik olabilirdi – Ie, gerçek bir ‘kapalı’ durum.”
Makalelerinde, Shih ve meslektaşları WSE’de gözlemledikleri ilginç etki için olası bir açıklama sunmaya çalıştılar.2. Nihayetinde, etkinin, mobil taşıyıcıların zaten dolu, inert elektronik durumların arka planı ile etkileşime girdiği güçten kaynaklanabileceğini önerdiler.
“Mobil taşıyıcılar arka plandan farklı bir dönüşe sahip olduklarında, hareketsiz yüklerle güçlü Coulomb etkileşimleri yaşarlar – esasen arka plan hareketsiz suçlamalarla ‘sürüklenirler’ ve yavaşça ya da hiç hareket etmemeye zorlanırlar.”
“Buna karşılık, Spins eşleştiğinde, Pauli dışlama’nın kuantum prensibi onların çok güçlü etkileşime girmesini engelliyor ve bu rejimde mobil elektronlar hareketsiz yüklere çok saygı duymadan geçiyor.”
Araştırmacılar, deneylerinde gözlemlenen etkinin spin seçici taşımayı gerçekleştirmek için kaldırılabileceğini gösterdiler. Ayrıca, spin seçici taşınmanın sağlandığı mekanizmanın (yani, güçlü Coulomb etkileşimleri ile farklı enerji bantlarında spin ayrımı arasındaki etkileşimin), spin-seçici taşınmayı yürüten daha önce ana hatlı diğer mekanizmalara göre dikkate değer avantajlara sahip olduğu bulunmuştur.
Dean, “Mekansal olarak ayrılmış manyetik alanlara sahip manyetorezistif hetero-yapıların aksine, bu mekanizma, enerji ayrılmış bantlarda bulunan serbest ve lokalize dönüşler arasındaki etkileşimden kaynaklanan tek bir malzeme içinde spin filtrelemesini sağlıyor.” Dedi. “Ayrıca, Fermi seviyesini manyetik veya elektrik alanıyla spin çoğunluk veya azınlık seviyelerinde ikamet edebileceğimiz için, spin seçiciliği oldukça ayarlanabilir.”
Shih, Dean, Shi ve meslektaşlarının bu son çalışmaları, kompakt, verimli ve ayarlanabilir spintronic cihazların üretimi için yeni bir umut verici yol sunuyor. Araştırmacılar, bir sonraki çalışmalarında, daha derinlemesine tanımladıkları mekanizmayı keşfetmeyi, harici bir manyetik alan kullanılmadan da yararlanılamayacağını anlamak için planlıyorlar.
Shi, “İki katlı wse₂ katmanı küçük bir açıyla bükerek oluşturulanlar gibi Moiré yapıları, üretilen Landau seviyelerine benzeyen ancak manyetik alana ihtiyaç duymadan düz bantlar barındırıyor,” diye ekledi Shi. “Buna ek olarak, çalışmamızda bu etkinin sadece ‘gerçek partikül dönüşü’ olarak adlandırılan şeye değil, aynı zamanda bu seviyelerle ilişkili diğer kuantum sayılarına, elektronun malzemenin atomik yapısını nasıl hareket ettirdiğiyle ilgili bir kuantum özelliğine dayandığını gösterdik.
“Bu, gelecekteki teknoloji fırsatları için önemli olabilir, çünkü Valley Pseudospin manyetik alanlardan ziyade optik ile manipüle edilebilir.”
Yazarımız Ingrid Fadelli tarafından yazılan, Lisa Lock tarafından düzenlenen ve Andrew Zinin tarafından gerçekleştirilmiş ve gözden geçirilen-bu makale dikkatli insan çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse, lütfen bir bağış (özellikle aylık) düşünün. Alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesap.
